小鼠中单细胞水平分类的细胞类型的基因组调控

 行业动态     |      2020-09-17 08:19


该团队应用了他们先前开发的一种特殊检测方法,用于分析称为染色质可及性的基因组特征。

研究人员对DNA缠绕,包裹和包装成所谓的染PCR仪色质如何影响每个细胞中可利用的遗传信息产生了怎样的影响。DNA就像一串串珠子。分子“珠子”移动的空间形成了空间,因此蛋白质可以访问和“读取”遗传信息。该状态是染色质可访问性。

在这项研究中,检测了来自13个成年雄性小鼠组织的近十万个单个细胞这些组织是:骨髓,大肠,心脏,肾脏,肝脏,肺,小肠,脾脏,睾丸,胸腺,整个大脑以及小脑和大脑的前额叶皮层。

科学家观察到了85种不同的染色质可及性模式,并且可以将其中的大多数分配给特定的细胞类型。他们还列出了超过40万个潜在的监管要素通常,研究人员能够识别出具有相似染色质分布的细胞簇,然后检查该簇以挑选出不同的细胞类型。

他们说,他们的数据质量是可变的,主要取决于组织类型。数据在睾丸精子祖细胞中质量最低,因为这些生殖细胞中的DNA包装不同。

该地图集中收集的数据可以促进对发育途径和细胞谱系形成的理解。例如,研究人员可以利用该资源来理解染色质可访问性如何随着未成熟的造血细胞变成具有特定作用的成熟血细胞而改变。

研究人员说,这种染色质可及性的单细胞图集是世界各地实验室为人类,小鼠和其他物种的细胞类型综合图集所做的不懈努力的一部分。Shendure,Trapnell和合作实验室已经生成了有关蠕虫和苍蝇的相关图集。这些方法和发现发表在8月2日的《细胞》杂志上

这项研究的资深作者是华盛顿大学医学院基因组科学系的Cole Trapnell和Jay Shendure,以及Paul G. Allen细胞谱系追踪发现中心和Brotman Baty Institute的成员。西雅图的精密医学。Shendure还是霍华德·休斯医学研究所的研究员。

前博士后研究员达伦·库萨诺维奇(Darren A.Cusanovich)和研究生安德鲁·希尔(Andrew J.Hill)均在Shendure的实验室工作,领导了这项研究。Cusanovich和他的同事们开发了对该研究至关重要的单细胞组合索引测定方案。

“这种单细胞技术衡量了单个细胞中基因组的组织方式以及基因的调控方式,”现任亚利桑那大学助理教授的库萨诺维奇说。希尔指出,其他遗传学研究表明,常见疾病的大多数遗传变异都属于基因组非编码区,而基因活性正是起源于此。

申杜尔说:“这些信号有时似乎茫茫人海。科学家们缺乏确定它们调控哪些基因的工具。这些数据有助于我们了解不同细胞类型的调控规则。”

希尔说:“这样的研究提供了一种观点,即复杂的生物体如何具有如此令人难以置信的多种细胞类型,其中包含相同的参考基因组。”

Trapnell解释说,以前的大多数研究已将基因组方法应用于由多种细胞类型组成的组织或样品。但是,对许多不同的单元格类型进行平均会掩盖单个单元格类型中正在发生的事情。

他说:“我们对单细胞水平的细胞基因组特性感兴趣。” 他补充说,该领域的大多数研究都针对某些基因在细胞中的表达是开启还是关闭,而鲜为人知的是为什么基因被激活,调节或沉默。

研究人员利用他们得到的数据来确定基因组的哪些部分在不同的细胞类型中是“开放的”,以及这些元素调控哪些基因。然后,他们与人类全基因组关联研究的结果相交,发现了可能与疾病相关的遗传变异。

尽管细胞图谱数据来自小鼠而不是人,但研究人员仍能够暗示在许多常见的人类疾病和特征中起作用的细胞类型。

例如,阿尔茨海默氏病的遗传力并未在任何种类的称为神经元的脑细胞中富集,而是在防御神经系统的小胶质细胞中最富集。相反,对于双相情感障碍,遗传力最丰富的是兴奋性神经元。

以这种方式检查的其他特征包括自身免疫性疾病,高血脂水平,免疫球蛋白缺乏症,体型和组成,哮喘,花粉症,心脏病,痛风和其他许多疾病或特征。

由UW Medicine研究人员领导的相关工作于8月2日在Molecular Cell上发表,介绍了以罗马演说家命名的算法Cicero。该算法有助于确定基因调控的语法。该方法利用了单细胞染色质可及性数据,并将DNA中的调控元件链接到它们靶向的基因。

该软件由Trapnell和Shendure实验室的研究生Hannah Pilner编写,可确定成千上万的调节元件如何协调发育中的肌肉细胞中的基因表达。

科学家将Cicero用于小鼠图谱,以绘制每种细胞类型调控元件之间潜在连接的图。希望这种映射将揭示基因组中数百万条调节性DNA序列如何控制细胞如何执行其专门功能。

人体细胞图谱的产生是一项艰巨的任务,这是由于人体中存在着大量的细胞,以及人们生命中存在的许多不同类型的细胞。成年人平均包含大约37万亿个细胞,这些细胞的类型,丰度和发育状态各不相同。

但是,这些论文中描述的进展可能有助于创建人类细胞图集。研究人员指出,以前完成少数几种细胞类型需要花费大量的劳动,现在只需几个月即可在单细胞分辨率下完成。

与人类相反,家鼠被认为体内仅有约100亿个细胞(约占人体的0.02%)。人类和小鼠从大约7500万年前的共同祖先开始分化。

尽管此后发生了遗传变化,但小鼠为人类健康和疾病提供了许多线索。由于进化的关系,小鼠细胞图谱将有助于理解哺乳动物(包括人类)细胞类型的出现。